CN204615694U - 一种压电式振动能量采集器 - Google Patents

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曹自平
郭庆
朱洪波
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本实用新型公开了一种压电式振动能量采集器，把周围环境中振动所产生的机械能转化成电能。此振动能量采集器由壳体、弹簧、带有阵列拨片的质量块、导杆、压电发电结构、抵挡座和导线组成。当此振动能量采集器安装在振动环境中或携带在人体上时，环境或人体的振动会带动质量块沿导杆上下振动，使质量块的拨片不停地拨动压电发电结构，从而使压电发电结构发生形变，实现机械能向电能的转换。与传统的电磁感应的能量采集方式不同，本实用新型采用压电式，具有结构精简、便于安装和使用寿命长等特点。此外，其内部质量块上设置有拨片阵列，使得频率较低的环境振动能够激励振动能量采集器内压电发电结构进行较高频率的振动，从而大幅提高能量转换效率。

Description

一种压电式振动能量采集器
技术领域
本发明涉及机械和电学技术领域，特别涉及一种振动能量采集装置。
背景技术
便携式电子器件和无线传感器网络在过去几十年得到了快速的发展，尤其在人体健康检测、环境污染监测、军事侦察和野外动物跟踪等方面得到了广泛的应用。通常上述器件依靠传统的化学电池提供能量，然而传统的化学电池所能存储的有限电能使得它们需要定期更换，并且在生产和废弃时可能引起环境污染等问题。于是国内外一些研究者尝试从环境中收集能量以便给便携式电子器件和无线传感器供电，从而使得便携式电子器件和无线传感器在不需更换电池的情况下能够长期甚至无时间限制的工作。
机械振动是环境中普遍存在的一种能量形式，广泛存在于普通家庭电器、工业机械设备、交通运输工具、以及生物体等。利用压电材料制备的振动能量采集器可实现将振动的能量转换为电能。一个压电式振动能量采集器的典型结构为利用压电材料制备而成的一端固定而另一端自由的片状悬臂梁结构，并且当激励压电材料的环境振动的频率越高时，振动能量采集器的能量转换效率越高。然而需要指出的是通常环境振动的频率在200Hz以下，这种较低频率的振动往往使得压电式振动能量采集器难以具有较高的能量转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种压电式振动能量采集器，其内部质量块上设置有拨片阵列，使得频率较低的环境振动能够激励振动能量采集器内压电发电结构进行较高频率的振动，从而大幅提高能量转换效率。
本发明所采取的技术方案是：振动能量采集器由壳体1、弹簧2、带有阵列拨片的质量块3、导杆4、压电发电结构5、抵挡座6和导线7组成；质量块3的中心设置有与导杆4匹配的圆柱形长孔8，质量块3可沿导杆4上下自由滑动；导杆4贯穿质量块3，并且两端固定连接在壳体1内部上下面上；弹簧2两端分别固定在质量块3和壳体1上；压电发电结构5由一片金属支撑片10和分别附着于金属支撑片一侧表面上压电材料薄片一9、另一侧表面上压电材料薄片二11组成；抵挡座6与一个压电发电结构5相匹配，构成抵挡座6的两个四分之一圆柱状结构分别位于压电发电结构5的两侧，与压电发电结构5一同固定在壳体1内部的侧面上。
当此振动能量采集器安装在振动环境中或携带在人体上时，环境或人体的振动通过弹簧2拉动动质量块3沿导杆4上下振动，使质量块3的拨片不停地拨动压电发电结构5，从而使压电发电结构5发生形变，在压电材料薄片9和压电材料薄片11上产生电能。压电材料薄片9和压电材料薄片11通过串联或并联的方式进行连接，并进一步连接整流电路、稳压电路和储能元件，最后实现电能的输出，从而实现为各种电子器件提供电能。
本发明采用上述技术方案与现有技术相比，可以达到下列效果：
1.现有的振动能量采集器主要是基于电磁感应的方式，这种装置为了获得较大的感应电流，往往体积较大并且结构相对较为复杂。而本发明提出的振动能量采集器采用压电式结构，利用垂吊式质量块拨动压电片而进行发电的结构，体积小巧、结构简易，易于实现整体结构的微型化和集成化。
2.本发明内部质量块上设置有拨片阵列，使得频率较低的环境振动能够激励振动能量采集器内压电发电结构进行较高频率的振动，从而大幅度提高能量转换效率。
3.本发明可用来给各种便携式电子器件、无线传感网等供电，摆脱电池供电的束缚。
附图说明
图1为本发明所述压电式振动能量采集器的平面结构示意图，1-壳体；2-带阵列拨片的质量块；3-弹簧；4-导杆；5-压电发电结构；6-抵挡座；7-导线。
图2为本发明所述振动能量采集器中带阵列拨片的质量块3的结构示意图，质量块3中心设置有与导杆4匹配的圆柱形长孔8。
图3为本发明所述振动能量采集器中导杆4的结构示意图。
图4为本发明所述振动能量采集器中压片发电结构5的结构示意图，9-压电材料薄片一；10-金属支撑片；11-压电材料薄片二。
图5为本发明所述振动能量采集器中抵挡座6的结构示意图。
图6为本发明所述振动能量采集器的能量管理电路。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明装置作进一步的详细说明。
具体实施方式如下：
参照图1，本发明提出的振动能量采集器由壳体1、弹簧2、带有阵列拨片的质量块3、导杆4、压电发电结构5、抵挡座6和导线7组成。壳体1为长方体金属壳。在质量块3上下表面和壳体1内部上下两面之间连接有两列长度和弹性系数相同的弹簧2，导杆4贯穿质量块3，两端固定连接在壳体1内部上下面上。压电发电结构5和抵挡座6可以使用粘接剂粘接等方式固定在壳体1内部的两侧。导线7焊接在压电发电结构5中两片压电薄片的电极上。
图2为带有阵列拨片的质量块3的结构示意图，质量块3的中部为一长圆柱孔，圆柱孔的直径要略大于导杆4的直径，使得导杆4能够贯穿质量块3。质量块3的两侧粘接若干片拨片。图4为压电发电结构5的结构示意图，由压电材料薄片一9、金属支撑片10、压电材料薄片二11组成，压电材料薄片一9和压电材料薄片二11通过粘结剂分别被粘结在金属支撑片10的两个表面上。抵挡座6为两个四分之一圆柱状结构，如图5所示，抵挡座6表面较光滑，材料可为塑料或金属。
当此振动能量采集器安装在振动环境中或携带在人体上时，环境或人体的振动通过弹簧2拉动动质量块3沿导杆4上下振动，使质量块3的拨片不停地拨动压电发电结构5，从而使压电发电结构5发生形变，在压电材料薄片一9和压电材料薄片二11上产生电能。
参照图6，本发明所述振动能量采集器经过整流、稳压、储存后就可以向各种电子设备进行供电。

Claims (3)

1.一种压电式振动能量采集器，其特征在于，由壳体(1)、弹簧(2)、带有阵列拨片的质量块(3)、导杆(4)、压电发电结构(5)、抵挡座(6)和导线(7)组成；质量块(3)的中心设置有与导杆(4)匹配的圆柱形长孔(8)，导杆(4)贯穿质量块(3)，两端固定连接在壳体(1)内部上下面上；弹簧(2)两端分别固定在质量块(3)和壳体(1)上；压电发电结构(5)由一片金属支撑片(10)和分别附着于金属支撑片(10)的一侧表面上压电材料薄片一(9)、另一侧表面上压电材料薄片二(11)组成；抵挡座(6)与一个压电发电结构(5)相匹配，构成抵挡座(6)的两个四分之一圆柱状结构分别位于压电发电结构(5)的两侧，与压电发电结构(5)一同固定在壳体(1)内部的侧面上。
2.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于，质量块(3)可沿导杆(4)上下自由滑动。
3.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于，压电材料薄片一(9)和压电材料薄片二(11)通过并联方式进行连接，并进一步连接整流电路、稳压电路和储能元件，实现电能的输出。
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